Молекулярные наноэлектронные структуры

Солдатов Евгений Сергеевич

148

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ НАНОЭЛЕКТРОННЫЕ СТРУКТУРЫ

НАНОСИСТЕМЫ

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ

НАНОЭЛЕКТРОННЫЕ

СТРУКТУРЫ

СолдАтов Е. С.

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, физический факультет, 119992, Москва

Рассмотрены предпосылки и перспективы построения электронных элементов на основе одиночных молекул. Особое внимание уделено использованию явления коррелированного туннелирования электронов (одноэлектроники). Дан краткий обзор экспериментальных работ в этом направлении, показана важность создания планарных одноэлектронных молекулярных элементов, дан обзор наиболее перспективных способов их создания и полученных к настоящему времени результатов.

ВВЕДЕНИЕ

Ни для кого не является секретом тенденция в современной микроэлектронике к миниатюризации элементов электронных схем и, соответственно, увеличению плотности их «упаковки» в устройствах, расширению функциональных возможностей таких устройств. Эта тенденция была выражена в середине 60-х годов прошлого века в виде известного закона Мура, согласно которому плотность «упаковки» элементов электронных схем удваивается каждые два года. Этот закон выполняется уже более 40 лет и, несмотря на нарастающие на каждом этапе трудности масштабирования, благодаря недавним успехам в разработке изоляторов с высокой диэлектрической проницаемостью, ожидается сохранение этой тенденции в, по крайней мере, ближайшие 5-7 лет и разработка, в результате, технологий получения элементов размером менее 20 нанометров [1].

Однако развитие микроэлектроники с переходом ее в наноэлектронику предполагает и дальнейшую миниатюризацию элементной базы, что уже сейчас заставляет искать возможности перехода к элементам с размерами порядка десятка и единиц нанометров. Выход на такие масштабы крайне проблематичен в рамках имеющейся технологии и подразумевает изменение самой физики процессов, протекающих в таких элементах. В качестве

негативных факторов, осложняющих создание и работу традиционных устройств (кремниевых КМОП - комплементарных металл-оксидных полупроводников) таких размеров, следует указать: утечки, вызванные туннелированием электронов между элементами схемы, нежелательные размерные эффекты, а также сложность отвода тепла от устройств, нагревающихся в результате диссипации энергии из-за высокой плотности их расположения на схеме.

Указанные факторы подталкивают к необходимости искать альтернативные традиционной КМОП-технологии пути развития микро/нано-электроники. Одним из перспективных для построения наноэлектронных устройств нового поколения физических явлений, происходящих в наноструктурах указанного масштаба, является явление коррелированного туннелирования электронов, известное также под названием одноэлектронного туннелирования. Эффекты, связанные с этим явлением, впервые были обнаружены Гьевером с соавторами при исследовании гранулированных пленок в 1969 г. в виде подавления их проводимости в области низких напряжений. Количественная теория одноэлектронных явлений, так называемая «ортодоксальная» теория, была построена позже в работах Кулика-Шехтера [2] и Аверина-Зорина-Лихарева [3].

«ОРТОДОКСАЛЬНАЯ» ТЕОРИЯ КОРРЕЛИРОВАННОГО ТУННЕЛИР ОВАНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ

Остановимся более подробно на некоторых важных основах электронного транспорта через системы нанометрового (молекулярного) масштаба.

Рассмотрим вначале туннельный переход, который состоит из двух проводящих электродов, разделенных тонким слоем диэлектрика толщиной около одного нанометра. В соответствии с законами квантовой механики электроны имеют, не-

НАНОСИСТЕМЫ

СОЛДАТОВ Е.С.

149

смотря на практическое отсутствие у диэлектриков проводимости, небольшую вероятность пройти (протуннелировать) через тонкий слой диэлектрика. Если к такому переходу приложить напряжение, электроны будут туннелировать через диэлектрик преимущественно в одном направлении. В результате в цепи возникает электрический ток, величина которого зависит, кроме напряжения, от толщины диэлектрической прослойки и материала диэлектрика.

Сила тока, по определению, прямо пропорциональна заряду, перенесённому через выбранное поперечное сечение проводника за некоторый промежуток времени, и обратно пропорциональна величине этого промежутка времени. Очевидно, что в обычном (цельном, однородном) проводящем материале электроны могут быть смещены на сколь угодно малую величину, то есть сумма всех перемещений может плавно меняться и, следовательно, также плавно может меняться перенесенный заряд. Таким образом, и сила тока в такой системе может изменяться непрерывно. На участке цепи с диэлектрической прослойкой положение кардинально меняется: прохождение заряда через прослойку возможно только дискретно, квантами, равными заряду электрона. Важно, что в такой системе с туннельным переходом, перемещение заряда будет носить как непрерывный, так и дискретный характер: непрерывное изменение заряда в любом сечении проводящих электродов будет сопровождаться скачкообразным, дискретным изменением его на поверхностях диэлектрической прослойки, поскольку через диэлектрическую прослойку заряд может перемещаться (туннелировать) лишь дискретно.

Объясняется это, как показывают расчеты баланса энергий в процессе туннелирования, тем, что когда суммарный заряд на туннельном переходе Q меньше, чем +e/2 и больше, чем -e/2 (е - абсолютное значение заряда электрона), туннелирование электрона невозможно, так как туннельный акт неизбежно приводил бы к увеличению электростатической энергии перехода. В этом случае система будет находиться в режиме «кулоновской блокады» туннелирования. Режим кулоновской блокады осуществляется при значениях напряжения источника |V | < e/2C (С - емкость туннельного перехода).

Но заряд в любом сечении электродов перехода и, в том числе, на одной из поверхностей диэлектрической прослойки изменяется непрерывно [3], и, следовательно, когда суммарный заряд на ней достигнет величины + e/2 или - e/2 (зависит от направления приложенного напряжения), туннелирование станет возможным, произойдет «перескок» одного электрона с одного электрода на другой. Затем системе понадобится некоторое время (зависимое от емкости туннельного перехо-

да и его туннельного сопротивления), чтобы восстановить значение заряда на переходе до величины IQI = е/2, когда произойдет очередной скачок электрона. Такие следующие друг за другом туннельные события («перескоки» электронов) в системе с одним туннельным переходом коррелируют друг с другом по времени [2, 3].

При обычных условиях рассмотренные выше эффекты в туннельных переходах не наблюдаются, так как термические и квантовые флуктуации их «размывают». Для наблюдения этих эффектов необходимо, чтобы рассматриваемая система с туннельным переходом удовлетворяла следующим условиям.

1. Термические флуктуации должны быть малы по сравнению с характерной зарядовой энергией перехода, равной энергии его перезарядки одним электроном

— »kT,

2 С

где e - заряд электрона, C - емкость туннельного перехода, k - постоянная Больцмана, T- температура, К.

При туннелировании одного электрона через туннельный переход электростатическая энергия такого перехода меняется на величину e2/2C (характерная зарядовая энергия). Неравенство (1) выполняется, например, для металлических пленочных туннельных переходов с характерными размерами 0,1 мкм и, соответственно, емкостью С « 10-16 Ф при температуре T = 0,1 К.

h

2. Квантовые флуктуации с энергией в туннельном переходе должны быть малы по сравнению с характерной одноэлектронной зарядовой энергией JL^,, что приводит к ограничению

проводимости переходов:

RT»R =^=26,4KOm, (2)

? е

где RT - сопротивление туннельных переходов между островом и электродами.

Системы с туннельными переходами малых размеров, удовлетворяющими условиям (1)-(2), в которых наблюдается эффекты корреляции туннельных событий в переходах, принято называть одноэлектронными системами. Зарядовые эффекты, происходящие в таких системах, называют одноэлектронными эффектами.

На практике наблюдать одноэлектронные эффекты в одиночном туннельном переходе без специальных «ухищрений» не представляется возможным, так как при определении его емкости, входящей в условие (1), необходимо учитывать большую емкость подводящих напряжение проводов. Эта «паразитная» емкость делает невозмож-

150

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ НАНОЭЛЕКТРОННЫЕ СТРУКТУРЫ

НАНОСИСТЕМЫ

ным выполнение условия (1).

Эту проблему можно обойти, соединив два малых туннельных перехода последовательно. Тогда емкость центрального электрода можно сделать очень малой, уменьшая размеры центрального электрода вплоть до атомарных, и, следовательно, удовлетворить условию (1).

Если соединить емкостной (нетуннельной!) связью остров с третьим электродом (затвором) без возможности любого транспорта электронов (в том числе и туннелирования) через нее, мы получим базовый одноэлектронный элемент - одноэлектронный транзистор. При изменении потенциала затвора изменяется и потенциал/индуциро-ванный заряд острова, от которого сильно зависят основные параметры и характеристики (например, величина кулоновской блокады) электронного транспорта через систему и, следовательно, ее вольт-амперная характеристика (ВАХ). Это создает основу для построения управляемого элемента на базе такой системы. Экспериментальные исследования одноэлектронных систем, изготовленных методами современной нанолитографии, показали достаточно хорошее согласие экспериментальных результатов с развитыми ранее моделями.

Существенным недостатком таких систем в тонкопленочном исполнении является то, что их типичная рабочая температура равна приблизительно 0,1 К при их размерах порядка 50 нанометров, которые соответствуют предельным возможностям современной нанолитографии. Оценивая по формуле (1) характерные значения емкостей и размеров туннельных переходов, необходимых для нормальной работы одноэлектронных устройств при комнатной температуре Т=300 К, получаем емкость С=10-18-10-19 Ф, и, соответственно, размеры порядка нанометра. Сравнение этих цифр с предельными возможностями литографии показывает невозможность воспроизводимого создания только литографическими методами одноэлектронного транзистора, работающего при комнатной температуре.

Однако, сравнивая эти цифры с характерными размерами небольших молекул и молекулярных кластеров (1,5 нм для кластеров Pt5), можно прийти к выводу, что такой транзистор можно создать, используя в качестве острова одиночную молекулу такого типа. Это соображение и является основой одного из направлений изучений одноэлектронных эффектов - молекулярной одноэлектроники.

С другой стороны, переход к схемам, в которых в роли функциональных элементов будут выступать одиночные молекулы или молекулярные кластеры, представляется естественным пределом происходящей сейчас миниатюризации элементов микроэлектроники. Такой переход позволил бы решить многие проблемы полупроводниковой электроники, такие, как возрастание мощ-

ности выделяемого тепла при увеличении степени интеграции элементов или размерные квантовомеханические эффекты, препятствующие нормальной работе традиционных устройств при уменьшении их размеров до десятков нанометров. Ожидается, что переход к молекулярной электронике позволит создать новые классы запоминающих устройств сверхвысокой емкости, всевозможных детекторов, включая химические и биологические детекторы, источников излучения.

Кроме этого, создание подобных приборов является также очень важным с точки зрения фундаментальной физики, поскольку предоставляет возможность для непосредственного экспериментального изучения свойств одиночных молекул. Изучение этих свойств поможет получить существенно новую информацию об индивидуальных характеристиках молекул, их спектрах, влиянии на них внешних условий и воздействий.

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Мысль об использовании отдельных молекул как активных элементов микроэлектроники была высказана Р. Фейнманом еще в 1959 г. Позднее он показал, что квантовомеханические законы не являются препятствием в создании электронных устройств атомарного размера, пока плотность записи информации не превышает 1 бит/атом. Однако, только с появлением теоретических работ Авирама и Ратнера в середине 70-х г.г. стали говорить о молекулярной электронике, как о новой междисциплинарной области, включающей физику, химию, микроэлектронику и компьютерную науку, и ставившую своей целью перевод микроэлектроники на новую элементную базу - молекулярные электронные устройства. Реальные же эксперименты в этой области начали проводиться только в 1980-1990-е гг., когда развитие технологии позволило преодолеть основные препятствия, стоявшие на пути реализации таких устройств. Прежде всего, это - чрезвычайная малость объекта. До изобретения сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) наблюдение, и, тем более, изучение электрических характеристик отдельных одиночных молекул достаточно малого (~ 1 нм) размера (это необходимо для достаточно высокой рабочей температуры) было практически невозможно.

Сканирующий туннельный микроскоп был изобретен в 1982 году Биннингом и Рорером. Основной элемент измерительной части СТМ -острая металлическая игла, закрепленная на пьезоэлектрическом держателе, «висящая» на небольшом (порядка нескольких ангстрем) расстоянии от исследуемого образца. Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа основан на регистрации туннельного тока между исследу-

НАНОСИСТЕМЫ

СОЛДАТОВ Е.С.

151

емым образцом и иглой СТМ при создании между ними разности потенциалов [4]. Закрепление иглы СТМ на пьезоэлектрическом держателе позволяет перемещать иглу в различные точки образца и, таким образом, по изменению туннельного тока регистрировать профиль поверхности.

Весьма важен для применений вопрос о пространственном разрешении туннельного микроскопа. В зависимости от природы исследуемого образца и конкретной реализации прибора оно может быть существенно разным. В некоторых случаях удается получить атомарное разрешение даже при измерениях на воздухе и при комнатной температуре.

Сканирующий туннельный микроскоп был первым прибором из семейства сканирующих зондовых микроскопов. Впоследствии было реализовано множество зондовых микроскопов, регистрирующих не туннельный ток между зондом и образцом, а другие физические характеристики поверхности - силы Ван-Дер-Ваальса (атомносиловой микроскоп, АСМ), оптические (сканирующий оптический микроскоп, СОМ), магнитные свойства (магнитно-силовой микроскоп, МСМ) и т.д. [4]. Однако, их сравнение показывает, что предельно малые объекты атомарно-молекулярного масштаба с размером от 5 до 50 ангстрем можно изучать только методом сканирующей туннельной микроскопии, уникальная чувствительность которой основана на экспоненциальной зависимости туннельного тока от расстояния до объекта. При этом, если иглу зафиксировать над выбранной точкой поверхности, то можно снимать локальные вольт-амперные характеристики, зависимость туннельного тока от туннельного расстояния и т.д., то есть получать различную информацию об объектах атомарно-молекулярного масштаба (вплоть до отдельных атомов) или локальных (~ 1 нм2) электронных свойствах поверхности.

Это свойство СТМ стало основой самого простого способа реализации одноэлектронной двухпереходной туннельной системы на базе одиночной молекулы - расположить иглу СТМ над этой молекулой, и тогда, при определенных условиях, в системе последовательных туннельных переходов «игла СТМ - молекула» и «молекула - подложка» возможно наблюдение одноэлектронных эффектов при высоких (вплоть до комнатной) температурах.

Наиболее надежным доказательством наличия коррелированного туннелирования в системе является управление током с помощью затвора («gate»). На физическом факультете МГУ в содружестве с ИОНХ РАН и ИРЭ РАН был выполнен цикл работ по созданию управляемых одноэлектронных систем на основе одиночных молекул, исследованию их характеристик и зависимостей

этих характеристик от различных параметров системы [5, 6]. Для достижения этих целей потребовалось выполнение следующих условий.

Выбрать молекулярные объекты, обладающие необходимыми свойствами для реализации на их основе одноэлектронных устройств, работающих при высоких температурах и исследовать их свойства.

Разработать воспроизводимую технологию закрепления с заданной плотностью и взаимным расположением таких молекулярных объектов на твердой подложке. Разработать методы нахождения и надежной идентификации таких молекул на подложке с помощью СТМ.

Реализовать одноэлектронные устройства (двухпереходную туннельную систему, одноэлектронный транзистор) в системе «игла СТМ - молекула - подложка». Исследовать электрические характеристики полученных одноэлектронных устройств, изучить их зависимости от типа молекулы и других параметров.

Выполнение такой программы позволило исследовать электронный транспорт через одиночную молекулу и впервые реализовать управляемый молекулярный электронный элемент - одноэлектронный транзистор [5]. Экспериментальная часть такой системы была реализована с использованием техники сканирующей туннельной микроскопии, строение образцов схематически показано на рис. 1. При расположении иглы СТМ над одиночной молекулой, встроенной в ленгмю-ровский монослой, образуется трехэлектродная (транзисторная) система, в которой игла СТМ и подложка представляют собой подводящие электроды, молекула - центральный остров, а электрическое поле управляющего электрода определяет ток через туннельную систему «игла СТМ - молекула кластера - подложка».

Кулоновская энергия в изучаемой системе при размере использованных в экспериментах совер-

Рис. 1. Схема трехэлектродной (транзисторной) молекулярной системы с управляющим электродом; 1- изолирующий слой (Al2O3), 2- управляющий электрод (Au).

152

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ НАНОЭЛЕКТРОННЫЕ СТРУКТУРЫ

НАНОСИСТЕМЫ

шенно разных с химической точки зрения молекул от 0,7 до 4 нм составляет, по оценкам, 1,0-0,3 эВ, соответственно, что позволяет регистрировать одноэлектронные эффекты даже при комнатной температуре (T=300K « 0,026 эВ). При этом необходимо понимать условность использования макроскопических величин, таких, как входящие в выражение для кулоновской энергии емкость и диэлектрическая проницаемость. Используемое в теории одноэлектроники классическое понятие электростатической емкости, как некоторого геометрического фактора, учитывающего поверхностное распределение заряда на проводнике, для рассматриваемых здесь предельно малых объектов (несколько атомов!) нуждается в уточнении [7].

Проведенные эксперименты позволили получить следующие результаты.

1. Вольт-амперные характеристики системы над молекулой и над чистой подложкой всегда различались. Для всех исследованных кластеров наблюдаемые ВАХ имели участок с подавленной проводимостью при малых напряжениях, который можно интерпретировать в рамках одноэлектронной модели туннелирования электронов. В отдельных случаях наблюдалась так называемая «кулоновская лестница» (ступеньки тока), которая наблюдается в одноэлектронных системах из туннельных переходов только с сильно различными сопротивлениями. На ВАХ симметричных одноэлектронных систем (сопротивления равны) ступенек нет, есть только «кулоновская блокада»

[3].

2. Показано, что существенные различия в электронном строеним исследованного набора кластеров (величина энергетической щели, ионизационный потенциал, спектр поглощения) не сказываются на характере их вольт-амперных характеристик. Для наблюдения транзисторного эффекта строение и электронная природа молекулы или кластера не имеют решающего значения, т.е. одноэлектронный режим туннелирования может быть реализован в системе на основе любой молекулы.

3. Выявлена тенденция к уменьшению энергии кулоновской блокады при росте нуклеарности (количества атомов металла) в ряду однотипных кластерных молекул.

4. Впервые показана решающая роль лиганд-ной оболочки в превращении системы «игла СТМ - кластер - подложка» из однопереходной в двухпереходную, одноэлектронную.

5. Показано, что для создания наноструктур с заранее заданными характеристиками: группы из нескольких кластеров, одномерные цепочки кластеров, регулярные двумерные массивы кластеров - лучше подходят геометрически несимметричные кластерные молекулы.

6. С помощью техники СТМ впервые был реализован одноэлектронный транзистор на основе одиночной кластерной молекулы, работающий при комнатной температуре и имеющий электрометрическую чувствительность

, е

~7х10- <н2,

что типично для традиционных тонкопленочных одноэлектронных систем, но на несколько порядков лучше, чем у электрометров, работающих на других принципах.

Таким образом, проведенные исследования впервые продемонстрировали, что малые кластерные молекулы могут служить основой для создания управляемых наноструктур, способных работать при комнатной температуре в качестве элементов действующих устройств наноэлектроники нового, молекулярного поколения. Скорее всего, наибольшее применение в будущем получат ячейки памяти ЭВМ, созданные на основе таких элементов, и фундаментальные стандарты (например, квантовый стандарт тока).

Описанный выше способ реализации одноэлектронного транзистора на основе одиночной молекулы является модельным экспериментом, который убедительно доказал принципиальную возможность использования кластерных молекул для создания уникальных электронных устройств, а также позволил разобраться в том, какие свойства молекул являются критичными и оценить основные параметры получившихся одноэлектронных систем. Это вызвало сильный рост интереса и количества исследований и публикаций по молекулярной одноэлектронике сразу после публикации этих результатов [8].

Однако, для практических применений система «игла СТМ - кластерная молекула - подложка» конечно же, не подходит. Так же, кстати, как и метод Рида с соавт. [9] «механического разлома» (break junction), в котором зазор шириной 1-3 нм образуется благодаря механическому разрыву тонкой и узкой пленки металла при изгибе подложки пьезоэлектрическим стержнем, движущимся перпендикулярно плоскости подложки под действием приложенного к нему напряжения.

Для построения систем электроники необходима планарная молекулярная система и методы, позволяющие создавать нанозазоры между планарными электродами на подложке. Использование планарной структуры позволяет легко встроить в систему управляющий затвор, например, с помощью напыления тонкого металлического слоя, отделенного от электродов слоем оксида. Другой положительный аспект - совместимость с традиционными технологиями и возможность встраивания в большие интегральные схемы (БИС и СБИС).

НАНОСИСТЕМЫ

СОЛДАТОВ Е.С.

153

ПЛАНАРНЫЕ

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СИСТЕМЫ

Наиболее приемлемый способ создания планарной одноэлектронной системы на молекулярной основе — приготовление близко расположенных электродов, с зазором порядка размера рабочей молекулы и внедрение в этот зазор каким-либо образом одной или нескольких молекул. Основная трудность этого способа в том, что такой зазор должен быть очень узкий — порядка единиц нанометров, а это на границе или меньше пределов разрешения традиционной электронно-лучевой литографии (порядка 20 нм).

Одним из первых на этом пути был метод создания нанозазоров, использующий теневое напыление металла через нанолитографически изготовленную маску — метод жесткой подвешенной маски [10]. В нем используется маска, состоящая из двух слоев резистов, которая благодаря подтраву нижнего слоя как бы нависает над подложкой, что и дало название методу. Подбором угла при напылении под двумя углами, отличными от нормального, можно добиться создания зазоров нужного размера. Однако, надежность получения и воспроизводимость зазоров в таком способе низкая. Тем не менее, попытки изготавливать нанозазоры с помощью хорошо разработанной традиционной электроннолучевой литографии (хотя и на пределе разрешения) выглядят естественными. Такие попытки при тщательном подборе режимов процесса изготовления, прежде всего - доз (времен) засветки резиста и его обработки, позволяют в ряде случаев получать зазоры порядка 5-7 нм [11]. Типичный вид системы наноэлектродов показан на рис. 2. Такие системы уже могут быть использованы для изготовления транзистора. Так, в работе, выполненной на физфаке МГУ и в ИОНХ РАН в содружестве с университетом г. Лунд, Швеция [11], на изготовленную таким образом систему электродов наносились гетерогенные мономолекулярные пленки из смеси молекулярных кластеров Pt5(CO)6(PPh3)4 и полимера PVP 20 (поливинилпиридин). Их нанесение производилось методом Ленгмюра-Шеффера. При таком нанесении молекулы полимера образуют инертную двумерную матрицу на поверхности воды в виде мономолекулярной пленки, а затем этот слой переносится с поверхности жидкости на поверхность твердой подложки образца.

В результате проведенных исследований были измерены ВАХ планарных молекулярных структур из молекул [Pt5(CO)7(P(C6H5)3]4 в инертной матрице молекул PVP 20. Вид характеристик позволил интерпретировать их как результат коррелированного туннелирования электронов в данной планарной молекулярной системе. Было показано, что туннельный ток через такую систему зависит от внешнего электрического поля в зазоре

------ 1 0 0 n m

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

nm-lab 15 К U Х200,000 15mm

Рис. 2. Вид системы пленочных металлических наноэлектродов планарного молекулярного одноэлектронного транзистора.

между электродами. При этом зависимость туннельного тока через систему от напряжения затвора имеет периодичный характер, что согласуется с теорией одноэлектроники [3] и является несомненным признаком коррелированного туннелирования электронов в такой системе.

Однако для развертывания широких исследований мономолекулярных транзисторов (с одной молекулой в зазоре), необходимых для получения ясной картины происходящих в молекулярном транзисторе процессов, нужны технологичные методы изготовления планарных наноструктур с зазорами 2-3 нм, поиски которых активно ведутся несколькими ведущими нанотехнологическими группами в ряде стран, в том числе и в России. Совсем недавно был предложен так называемый метод «молекулярной литографии», в котором в качестве резиста используются самоорганизующиеся молекулярные слои [12]. С помощью электронно-лучевой литографии на окисленную кремниевую пластину напыляется первый электрод. После этого на его поверхности путем самоорганизации молекул формируется многослойная (1-10 слоев) пленка из 16-меркаптогексадекано-вой кислоты (MHDA) и перхлората меди, толщина которой определяет ширину зазора. Далее с помощью литографии формируется второй металлический электрод, после чего многослойная пленка удаляется химически отовсюду, в том числе и из зазора между первым и вторым электродом. Снятие ВАХ зазора, полученного с использованием одного слоя молекулярного резиста, дает оценку ширины зазора около 2 нм, что хорошо согласуется с толщиной слоя. Этот метод, без сомнения, является весьма перспективным методом формирования нанозазоров, обещая выход годных более 80% при высокой технологичности процесса.

154

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ НАНОЭЛЕКТРОННЫЕ СТРУКТУРЫ

НАНОСИСТЕМЫ

Перспективным может быть также использование для создания нанозазоров фокусированного ионного пучка [13], диаметр которого может быть значительно меньше, чем диаметр электронного (менее 5 нм). В предложенном решении [13] пленка титана, используемая, как маска, засвечивается ионами Ga+, после чего рисунок засветки переносится в нижележащие слои путем сухого травления в плазме аргона. Размеры получающихся зазоров могут быть даже меньше, чем размеры пучка. Однако данный путь находится в самом начале развития и для полноценного использования ионно-лучевой литографии еще предстоит решить ряд сложных проблем.

Как уже упоминалось выше, приемлемого выхода годных образцов в традиционной электроннолучевой литографии можно добиться лишь при изготовлении зазоров порядка десятков нанометров. Расширить пределы традиционной литографической техники можно, комбинируя ее с другими методами. В настоящее время сразу в нескольких направлениях ведется активный поиск таких методов уменьшения минимальной величины нанозазора, предложено несколько возможных способов решения этой проблемы. Все они имеют специфические преимущества и недостатки по сравнению с другими. Ограничимся кратким обзором этих методов.

При решении проблемы создания нанозазора существует два подхода. В первом подходе традиционными способами изготавливается система электродов с тонкими металлическими перемычками, после чего эти перемычки разрываются тем или иным способом. Во втором - создается система электродов-заготовок с изначальными размерами зазоров, доступными для современной нанолитографии (порядка 50-100 нм). Далее, за счет осаждения металла на электроды, величина зазоров сокращается.

Одним из наиболее перспективных примеров реализации первого подхода является использование явления электромиграции [14] для разрыва перемычки между электродами. Электромиграция представляет собой явление движения атомов металла, вызванное действием электрического тока высокой плотности. Много лет электромиграция рассматривалась исключительно как паразитный эффект, ведущий к деградации микроэлектронных схем: ток, вызываемый даже сравнительно небольшим напряжением (порядка единиц вольт), может приводить к разрыву тонких проводящих пленок микросхемы вследствие эффекта электромиграции. Однако несколько лет назад было показано [15], что этот процесс может быть взят под контроль и успешно использован для создания нанозазоров.

При определенных условиях в достаточно узких и тонких проводящих нанопроводах (толщиной порядка 10 нм) процесс электромиграции

может протекать достаточно медленно, что позволяет зафиксировать момент возникновения зазора нанометрового масштаба. С помощью этого способа были получены зазоры ~ 1-3 нм с сопротивлением до 10 ГОм. Таким образом, электромиграция является достаточно перспективным способом создания электродов для молекулярных устройств. Однако, в нем еще предстоит решить ряд важных для применений вопросов (повышение воспроизводимости, стабильности зазоров при высоких (~ 300 K) температурах, отсутствие паразитных гранул и др.)

Другим способом, использующим подход «разрыв перемычки», является электрохимическое травление перемычки между электродами. На подложке с помощью традиционной литографии создается система электродов толщиной 60 нм, соединенных золотой перемычкой длиной 100 нм и толщиной 15 нм. Эта перемычка подвергается травлению в электролите KAuCN2, скорость которого оказывалась контролируемой даже на уровне атомных масштабов, что позволяло наблюдать удаление даже одиночных атомов из перемычки. Таким образом, были получены зазоры шириной от одного до нескольких атомных размеров и в которых наблюдалось квантование проводимости [16]. Однако стабильность этих зазоров была невелика.

Изготовление зазоров нанометрового масштаба, реализующего второй подход к расширению пределов традиционной литографии - сужение изначального широкого зазора - впервые был реализован [17] при дополнительном напылении металла на изготовленный стандартной нанолитографией относительно широкий зазор между двумя металлическими электродами. С целью предотвращения замыкания электродов во время напыления в лежащем под ними слое оксида кремния делался подтрав. Таким образом были получены зазоры величиной около 3 нм.

Еще одним перспективным способом изготовления нанозазоров по второму подходу является метод электрохимического осаждения металла на предварительно приготовленный зазор. Хороший результат дала проведенная в МГУ [18] работа по осаждению платины из раствора K2PtCl4 на золотые электроды. Процесс осаждения прерывался при достижении определенного значения проводимости между электродами. Это позволило воспроизводимым образом получать зазоры менее 3 нм.

Таким образом, в настоящее время наметились возможности формирования планарных молекулярных наноструктур, необходимых для создания мономолекулярных элементов наноэлектроники. Такие элементы могут стать основой нового поколения электронных устройств суб-5 нм масштаба.

НАНОСИСТЕМЫ

СОЛДАТОВ Е.С.

155

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Происходящий в последние несколько десятилетий стремительный прогресс в микроэлектронике привел к переходу ее в последние несколько лет в наноэлектронику с разработкой, индустриальным выпуском и использованием электронных устройств с размерами элементов менее 100 нм. Естественным развитием этого процесса стало зарождение молекулярной электроники, решающей задачу создания электронных приборов на основе одиночных молекул и использования индивидуальных характеристик молекул для создания наноэлектронных элементов и устройств обработки и хранения информации. При этом, среди таких устройств особенно перспективными представляются молекулярные одноэлектронные устройства. К настоящему времени проведены эксперименты, позволившие создать прототипы будущих устройств молекулярной одно-электроники, а также построены теоретические модели, объясняющие полученные результаты.

Разработка молекулярных одноэлектронных устройств ведет к прорыву в методах формирования мезоскопических электронных устройств, в частности, планарных одноэлектронных транзисторов, работающих при комнатной температуре. Это будет первым шагом в переходе к наноэлектронным системам молекулярного уровня интеграции, с одной стороны, основанным на управлении одиночными электронами, в отличие от современных систем, где носителями информации/сигнала являются электрические токи (т.е. потоки огромного количества электронов), а с другой стороны, совместимым с обычными полупроводниковыми устройствами.

Такие системы демонстрируют новые перспективные подходы к достижению фундаментальных пределов качества устройств, работающих в таких чрезвычайно актуальных для общества направлениях, как обработка/передача/защита информации в весьма перспективных для будущего молекулярных информационных наносредах. Применение таких подходов ведет к построению принципиально новых квантовых устройств обработки информации и качественным изменениям во всей этой стратегически важной области. Это позволит кардинально (на несколько порядков!) улучшить количественные характеристики электронных устройств, что, в свою очередь, приведет к качественным изменениям в них и к созданию принципиально новых систем, превышающих по своим возможностям человеческий мозг. Наконец, применение таких подходов обеспечит использование всего имеющегося сейчас огромного потенциала современной полупроводниковой микроэлектроники для быстрого доведения этих новых уникальных устройств до широких кругов потребителей.

Данная работа поддержана РФФИ (проект № 06-07-89254-а) и МНТЦ (проект №3452)

ЛИТЕРАТУРА

1. International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), 2007 Edition, available online at public. itrs.net.

2. Кулик И.О., Шехтер Р.И. Кинетические явления и эффекты зарядовой дискретности в гранулированных средах // ЖЭТФ, 1975. т. 41. с. 308-316.

3. Averin D.V., Likharev K.K. Single electronics: a correlated transfer of single electrons and cooper pairs in systems of small tunnel junctions, Mesoscopic phenomena in Solids // Elsevier Science Publisher B.V., 1991. p. 90.

4. Эдельман В.С. Сканирующая туннельная микроскопия // ПТЭ, 1989. т. 5.

5. Солдатов Е.С., Ханин В.В., Трифонов А.С., Губин С.П., Колесов В.В., Преснов Д.Е., Яковенко С.А., Хомутов Г.Б. Одноэлектронный транзистор на основе одиночной кластерной молекулы при комнатной температуре // Письма в ЖЭТФ, 1995. т. 64, в. 7. c. 510-514.

6. Gubin S.P., Gulayev Yu.V., Khomutov G.B., Kislov V.V., Kolesov V.V, Soldatov E.S., Su-laimankulov K.S. ,Trifonov A.S. Molecular clusters as building blocks for nanoelectronics: the first demonstration of cluster SET transistor at room temperature. // Nanotechnology, 2002, v. 13. p. 185-194.

7. Shorokhov V.V., Soldatov E.S., Elenski V.G. The method for the determination of electrical selfcapacitance of atomic and molecular scale objects // Book ofAbstracts ICMNE-2007 (Oct. 1-5, Moscow-Zvenigorod, Russia), p. O1-13; (to be published in SPIE Proceedings).

8. Likharev К.К. Single-electron devices and their applications // IEEE, 1999, v. 87, p. 606-632.

9. Reed M.A., Zhou С., Muller C.J., Burgin T.P. and Tour J.M. // Nature, 1997, 278, 253.

10. Крупенин В.А., Лотхов С.В., Преснов Д.Е. Факторы нестабильности одноэлектронной памяти при низких температурах в структурах типа Al/ AlO /Al // ЖЭТФ, 1997. т. 111, в. 1. с. 344-357.

x

11. Солдатов Е.С., Сергеев-Черенков А.Н., Губин С.П., Суятин Д.Б., Максимов И.А., Хомутов Г.Б., Сметанин М.В., Ханин В.В., Са-муэльсон Л., Монтелиус Л. Investigation of electron transport in molecule-based nano-structures // 11 Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology”, St-Petersburg, Russia, June 23-28, 2003, Proceedings. p. 410.

12. McCarty G.S. // Nano Lett., 2004, 4, 1391.

13. Nagase T., Kubota T., Mashiko S. // Thin Solid Films, 2003, p. 374, 438-439.

14. Ho P.S. and Kwok T.. Electromigration in metal // Rep. Prog. Phys., 1989, 52, p. 301.

15. Park H., Lim A.K.L., Alivisatos A.P. Fabrication of metallic electrodes with nanometer separation with electromigration // Appl. Phys. Letters, 1999. V. 35, n. 2.

156

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ НАНОЭЛЕКТРОННЫЕ СТРУКТУРЫ

НАНОСИСТЕМЫ

16. Kervennic Y.V., Van Maekelbergh D., Kou-WENHOVEN L.P. and H.S.J. VAN DER ZANT // Appl. Phys. Lett., 2003, 83, p. 3782.

17. Bezryadin A., Dekker C. and Schmid G. Electrostatic trapping of single conducting nanoparticles between nanoelectrodes // Appl. Phys. Lett., 1997, V. 71. p. 1273-1275.

18. Солдлтов Е.С., ОвчЕнков Е.А. Получение нанозазоров в пленках электрохимически осажденных металлов методом релаксации напряжений // ЖТФ, 2008, т. 78, в. 12. с. 74-78.

Солдлтов Евгений Сергеевич,

член-корреспондент РАЕН, к.ф.-м.н., с.н.с. М.В. Ломоносова,

г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2, тел.: + 7 (495) 939-5935, [email protected].

MOLECULAR

NANOELECTRONIC

STRUCTURES

SOLDATOV E. S.

M.V. Lomonosov MSU, Physics department, 119992 Moscow, Russia

Perspectives of creation of molecular electronic components and, specifically, single-electron molecular structures are discussed. A short review of experimental works in this direction is presented. An important role of planar structures is shown, a review of the most prospective ways of their creation and obtained results is presented.

физфака МГУ им.

ru

Молекулярные наноэлектронные структуры Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Солдатов Евгений Сергеевич

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Солдатов Евгений Сергеевич

MOLECULAR NANOELECTRONIC STRUCTURES

Текст научной работы на тему «Молекулярные наноэлектронные структуры»